INTRODUZIONE ALLA DIAGNOSTICA DI MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI

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1 Programma e modalità d esame INTRODUZIONE ALLA DIAGNOSTICA DI MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI Lucia FROSINI Il corso è da 3 CFU, circa 25 ore di lezioni, indicativamente 2 ore alla settimana, salvo eventuali recuperi. Può essere inserito nel piano di studi come insegnamento a sé stante oppure all interno dell insegnamento "Sistemi, componenti e diagnostica per l'automazione industriale" (9 CFU). L esame consiste in una prova orale. Il materiale didattico on-line NON è aggiornato: tramite mailing list, verranno distribuite le dispense nel corso del semestre. Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell informazione Università di Pavia lucia@unipv.it 1 2 Indice Cos è la diagnostica Gli oggetti della nostra diagnostica Diagnostica e protezione Diagnostica e monitoraggio Diagnostica e manutenzione Manutenzione reattiva, preventiva, predittiva Cos è la diagnostica? La diagnostica è una procedura di traduzione delle informazioni derivanti dalla misura di parametri e dalla raccolta di dati relativi a una macchina nelle informazioni sui guasti effettivi o incipienti della macchina stessa. In altri termini, la diagnostica è il complesso delle attività di analisi e di sintesi che, utilizzando i rilievi di determinate grandezze fisiche, caratteristiche della macchina sorvegliata, consentono di trarre informazioni significative sulle condizioni della macchina stessa e sulla relativa tendenza nel tempo, per valutazioni e previsioni sulla sua affidabilità a breve e lungo termine. 3 4

2 Obiettivi della diagnostica Test delle ipotesi Gli obiettivi della diagnostica sono: individuazione ( detection ), localizzazione ( isolation ), identificazione ( identification ) del guasto. Il problema generale della diagnostica è individuare se un guasto specifico è presente o meno sulla base di informazioni disponibili, preferibilmente senza ispezioni intrusive della macchina. Questo problema può essere descritto con un approccio statistico come un problema di test delle ipotesi. Test delle ipotesi: Ipotesi nulla H 0 : il guasto A è presente. Ipotesi alternativa H 1 : il guasto A non è presente. Il test delle ipotesi è soggetto a due tipi di errore: errore di tipo I: si verifica quando l ipotesi nulla H 0 è respinta ma in verità tale ipotesi è vera. Sulla base delle informazioni disponibili, si decide che il guasto A non è presente, ma in realtà il guasto A è presente: la macchina non viene fermata e riparata prima che il guasto si manifesti effettivamente. 5 Possibili conseguenze catastrofiche in caso di guasto non previsto. 6 Test delle ipotesi errore di tipo II: si verifica quando l ipotesi nulla H 0 èaccettata ma in verità tale ipotesi è falsa. Sulla base delle informazioni disponibili, si decide che il guasto A è presente, ma in realtà il guasto A non è presente: la macchina viene fermata e riparata inutilmente. Inutili spese economiche. I passi della diagnostica Un programma di diagnostica si sviluppa secondo i seguenti passi: acquisizione dati ( data acquisition ), elaborazione dati ( data processing ), presa di decisione ( decision-making ): assunzione di decisione, processo che conduce alla scelta. I metodi per l acquisizione e l elaborazione dei dati e per la scelta della soglia che differenzia la situazione di guasto dalla situazione di sano per un componente possono influenzare pesantemente le probabilità di commettere un errore in fase di presa di decisione. 7 8

3 Macchine elettriche rotanti: Oggetti della nostra diagnostica: Generatori: Motori: a poli lisci (turboalternatori) a poli salienti (idro-generatori) asincroni (a induzione) brushless (a magneti permanenti) Di quali parti sono composte le macchine elettriche? MECCANICA: carcassa, supporti, cuscinetti; MAGNETICA: nucleo (lamierini); ELETTRICA: avvolgimenti; ISOLAMENTO: nastrature, resine, vernici, olio; RAFFREDDAMENTO: gas (aria, idrogeno), liquidi (acqua, olio). Trasformatori: in olio in resina altri (a commutazione, ecc.) 9 10 Con quali materiali sono fatte le macchine elettriche? (1/4) Ferro di tipo strutturale (acciaio): carcasse, corpo del rotore, alberi, cuscinetti, flange, scudi, ecc. Con quali materiali sono fatte le macchine elettriche? (2/4) Ferro di tipo magnetico (ferro-silicio): lamierini per il nucleo. Per alcune di queste parti possono essere utilizzati anche alluminio e ghisa

4 Con quali materiali sono fatte le macchine elettriche? (3/4) Con quali materiali sono fatte le macchine elettriche? (4/4) Rame: avvolgimenti. Materiali isolanti: carta, resine, mica, poliammide, olio, Alluminio: avvolgimenti, barre di rotore Gli oggetti della nostra diagnostica IMPORTANTE: Il funzionamento delle macchine elettriche non può essere considerato separatamente da quello delle macchine meccaniche ad esse collegate lungo la linea d asse (ad es. turbine o altri motori primi per i generatori, pompe, ventilatori o altri tipi di carichi per i motori), dal tipo di accoppiamento meccanico (giunti, ecc.) e dall eventuale sistema di controllo ad esso collegato (inverter, ecc.). Diagnostica e Il concetto di diagnostica è legato ai concetti di: AFFIDABILITÀ ( reliability ) PROTEZIONE ( protective relaying ) MANUTENZIONE ( maintenance ) MONITORAGGIO DELLE CONDIZIONI ( condition monitoring ) Sul concetto di affidabilità torneremo la prossima lezione. Si osserva che, in generale, l affidabilità delle macchine elettriche è molto elevata. Le apparecchiature di protezione rappresentano una prima forma di monitoraggio: sono progettate per intercettare i malfunzionamenti ( fault ) quando questi accadono e intraprendere azioni per minimizzare i danni prima che avvenga il guasto vero e proprio ( failure )

5 Diagnostica e protezione (1/4) Diagnostica e protezione (2/4) La protezione delle macchine e dei sistemi elettrici è affidata agli In generale, il segnale fornito dal trasduttore sarà nella forma di una apparecchi di manovra, in grado di effettuare la manovra di interruzione corrente o una tensione e verrà interpretato dal relè come accettabile o della corrente. non accettabile, a seconda del valore prefissato dal progettista del relè o Per svolgere la funzione completa di protezione, un apparecchio di dal responsabile manutenzione. manovra deve essere associato ad un altro componente, capace di Se viene superato il valore prefissato, il relè comanderà un azione percepire la presenza di una condizione di funzionamento anormale e di elettromeccanica, che spesso avrà come risultato la sconnessione della comandare, di conseguenza, l apparecchio di manovra stesso macchina elettrica, e segnalerà che il malfunzionamento (o il guasto) è all intervento. stato identificato. Il relè svolge tale funzione: esso costituisce l elemento sensibile del Questa è la visione più semplice dei dispositivi di protezione. sistema di protezione. Il suo compito è tenere sotto controllo una grandezza indicativa delle condizioni di funzionamento del sistema (tensione, corrente, temperatura, ecc.) e comandare l intervento di un opportuno apparecchio di manovra, quando tale grandezza assume valori fuori dai valori ammissibili. 17 Oggi molte apparecchiature di protezione hanno un ampia gamma di funzioni e sono programmabili per permettere criteri più sofisticati per avviare procedure di interruzione. Ad es., è opportuno bloccare il riavviamento di un motore fino a quando questo si è raffreddato a un livello accettabile. 18 Diagnostica e protezione (3/4) Diagnostica e protezione (4/4) Alcuni tipi di sistemi di protezione sono: L azione esecutiva del sistema di protezione è in genere la sconnessione protezione contro i guasti di terra, protezione di sovracorrente, protezione di minima/massima tensione, protezione di sovravelocità, protezione contro eccessiva vibrazione, della macchina dall alimentazione: questa azione è accettabile se la macchina è facilmente dissociabile dal processo in cui è coinvolta o se lavora isolata. Se invece la macchina è vitale per il funzionamento di un processo, allora si avrà una fermata non programmata dell intero processo. Le perdite derivanti da questa fermata potranno essere significativamente maggiori protezione di sovraccarico termico. di quelle risultanti da una fermata programmata. È importante notare che la protezione è progettata per agire solo DOPO Inoltre, in genere il costo della macchina è inferiore al costo provocato da che il malfunzionamento è accaduto, quindi non ha una vera e propria una fermata dell impianto. Per questo la manutenzione è più efficace funzione preventiva : è come l ambulanza ai piedi di un dirupo, non la quando è pianificata per revisionare molte macchine nel corso di una sola recinzione che impedisce di cadere! interruzione. Tuttavia, proprio come un ambulanza, spesso il sistema di protezione Pertanto, il monitoraggio non dovrebbe avere come obiettivo la singola permette di salvaguardare le macchine da danni ulteriori. 19 macchina, ma l intera salute del processo di cui essa fa parte. 20

6 Diagnostica e monitoraggio (1/2) Diagnostica e monitoraggio (2/2) Per monitoraggio delle condizioni si intende la continua valutazione della Abbiamo appena detto che gli avvisi anticipati di malfunzionamenti forniti salute dell impianto e delle apparecchiature durante tutta la loro vita utile. dal monitoraggio sono ovviamente desiderabili. Il monitoraggio e la protezione sono ovviamente tra loro collegati, ma Ma lo sono veramente? l approccio alla realizzazione di ciascuno di essi è piuttosto diverso. Dobbiamo giustificare questa affermazione perché la realizzazione di un Il monitoraggio dovrebbe essere progettato al fine di anticipare i sistema di monitoraggio può comportare una spesa considerevole. malfunzionamenti, mentre la protezione è essenzialmente retroattiva. Ci sono altre domande a cui rispondere. Ilmonitoraggiopuò,inmolticasi,avereancheloscopodifornireuna prima protezione, ma la sua reale funzione deve essere sempre quella di tentare di riconoscere lo sviluppo di malfunzionamenti in uno stadio precoce. Questo avviso anticipato è ovviamente desiderabile, perché dà al personale della manutenzione maggiore libertà di programmare le fermate nel modo più conveniente, col risultato di diminuire i tempi morti e le perdite economiche. 21 Per esempio, una volta che si è scelto di imbarcarsi in un programma di monitoraggio, quale forma si dovrebbe scegliere? Un monitoraggio intermittente, o regolare a intervalli prefissati, o continuo? Se si impiega una programma di manutenzione a intervalli prefissati, è necessario monitorare tutto? Il monitoraggio può generare una grande quantità di dati: come possono essere usate queste informazioni al meglio per minimizzare future spese? 22 Diagnostica e manutenzione Manutenzione reattiva Infine, e forse quel che più importa, quanto è necessario spendere per il La manutenzione reattiva interviene in seguito alla segnalazione di un monitoraggio al fine di renderlo veramente efficace? malfunzionamento della macchina o ad un evento più grave (guasto) col Ovviamente non è facile rispondere a queste domande, ma durante il conseguente arresto della stessa. corso cercheremo di dare alcune indicazioni, considerando le spese per la La manutenzione reattiva comporta spesso dei costi molto elevati, sia per manutenzione, riparazione e sostituzione delle macchine a cui le aziende la mancata produzione sia per la riparazione della macchina stessa: per devono continuamente far fronte e i costi che le diverse strategie di esempio, un guasto di un cuscinetto, con conseguente blocco dell albero manutenzione implicano. che supporta, può danneggiare anche l albero e i supporti, trasformando Si possono distinguere quattro strategie di manutenzione: 1) Manutenzione REATTIVA (o ad evento); 2) Manutenzione PREVENTIVA (o periodica); 3) Manutenzione PREDITTIVA (o basata sulle condizioni); 4) Manutenzione PRO-ATTIVA. un intervento di minore entità in un intervento impegnativo in termini di costi e di tempi. La manutenzione reattiva può essere efficace solo se c è una notevole ridondanza e se l arresto di una singola macchina non provoca il guasto del sistema completo

7 La manutenzione preventiva intesa in senso stretto individua i Tali attività sono in genere pianificate sulla base delle cosiddette ore componenti critici di una macchina e, secondo uno scadenziario, provvede equivalenti. Per le macchine elettriche rotanti, quali i generatori delle a sostituirli indipendentemente dalle loro condizioni. centrali, viene valutato in modo convenzionale un numero di ore T avv di Pertanto, essa talvolta interviene su componenti che sono ancora ben lontani dalla fine della loro vita operativa. In realtà, col termine manutenzione preventiva si intende anche la pianificazione periodica delle seguenti attività: esercizio equivalente agli avviamenti dei gruppi (20 h/avviamento per i turboalternatori, 10 h/avviamento per gli idro-generatori). Tale numero, moltiplicato per il numero degli avviamenti n avv,vienesommatoalleore reali di esercizio T es per ottenere le ore equivalenti totali di esercizio: controlli ordinari: generalmente un ispezione visiva della macchina; revisioni parziali, in cui si eseguono attività diagnostiche e un controllo visivo accurato (senza lo sfilamento di parti rotanti, nel caso di motori o generatori); revisioni generali, con sfilamento dei rotori, attività diagnostiche diffuse e grossi interventi manutentivi. 25 T eq = T es + T avv * n avv Quando le ore equivalenti accumulate hanno raggiunto determinati valori, si eseguono le attività di manutenzione precedentemente descritte. In generale, per ridurre le ore di fermata di un gruppo al minimo indispensabile, si cerca di coordinare le attività di manutenzione tra motore primo (turbina) e generatore. 26 Nel caso di motori ritenuti critici all interno di un processo a ciclo Generatore R g R g continuo, quale ad es. una raffineria, si effettuano interventi di manutenzione preventiva (revisioni) in occasione delle fermate programmate degli impianti (generalmente ogni 4 o 5 anni): Ore equivalenti T eq smontaggio completo del motore con estrazione del rotore (controllo barre); Turbina Anni approssimativi di esercizio R g R g pulizia parti meccaniche e sostituzione cuscinetti a rotolamento (controllo usura tolleranze ed eventuale sostituzione dei cuscinetti a bronzine); eventuale pulizia degli avvolgimenti e ripristino verniciatura; controllo chiusura di cava; = revisione parziale R g = revisione generale 27 controllo isolamento elettrico; prova a vuoto su banco o in campo con rilievo vibrazioni. 28

8 I rilievi effettuati durante le revisioni sono utilizzati per aggiornare la pianificazione degli interventi di manutenzione preventiva. Altri interventi di manutenzione preventiva effettuati sui motori sono: lubrificazione (olio, grasso) dei cuscinetti a rotolamento secondo scadenze in ore di marcia, come da indicazione del costruttore; pulizia dei fasci tubieri dei refrigeranti aria/aria, con cadenza generalmente annuale. La manutenzione preventiva presenta due aspetti negativi: per ovvi motivi economici, gli interventi di manutenzione non possono essere molto frequenti (distano diversi anni l uno dall altro); durante le fasi di revisione si cerca di effettuare tutte le attività preventive possibili, anche se non strettamente indispensabili o giustificate da danni reali o incipienti: ciò ha come conseguenza costi elevati e tempi lunghi durante le fasi manutentive Manutenzione predittiva La manutenzione predittiva, per mezzo di misure e analisi effettuate sulla macchina, intende determinare col massimo grado di affidabilità possibile le reali condizioni di funzionamento, sia globali sia dei singoli componenti. La manutenzione predittiva consente di riconoscere con relativo anticipo i componenti che iniziano a degradarsi o l insorgere di malfunzionamenti, permettendo di pianificare gli interventi compatibilmente con la produzione e dando il tempo di approvvigionare quanto necessario. Nel caso di processi complessi, il monitoraggio di alcune parti critiche dell impianto può portare benefici significativi. Questi benefici derivano da un aumento dell efficienza dell impianto, da unariduzionedelleperditeperfermateedaunariduzionedeicostidi sostituzione. Manutenzione predittiva L operatore dell impianto può inoltre essere continuamente aggiornato riguardo le prestazioni della sua macchina. Questo lo aiuterà a migliorare la disponibilità operativa e l efficienza dell impianto. Inoltre occorre considerare che una migliore manutenzione produce una maggiore sicurezza. Nel lungo termine, il monitoraggio permette all operatore di costruire una base di dati che può essere utilizzata per un analisi di tendenza e per apportare ulteriori miglioramenti nella programmazione della manutenzione. Tali informazioni possono essere anche impiegate vantaggiosamente dai costruttori delle macchine e dai progettisti dell impianto al fine di migliorare ulteriormente l affidabilità dei propri prodotti

9 Manutenzione predittiva La manutenzione predittiva può richiedere un monitoraggio continuo, ma anche semplicemente settimanale, mensile, semestrale, a seconda del tipo di grandezza rilevata e del tipo di macchina. IMPORTANTE: Non bisogna trascurare un altro tipo di monitoraggio, ossia la costante attenzione da parte del personale operativo nella conduzione delle macchine: molte segnalazioni (temperature, rumori anomali, vibrazioni) portano a controlli puntuali e spesso a interventi manutentivi che possono essere catalogati come di tipo predittivo. 33 Manutenzione predittiva e preventiva Generalmente la soluzione adottata per la manutenzione è un compromesso tra quella predittiva e quella preventiva, calibrando quest ultima anche grazie alle misure effettuate per la manutenzione predittiva. La manutenzione preventiva verrà applicata ai componenti che per scelta o per sicurezza si continuerà a sostituire su base temporale (ad es. componenti di basso costo quali i cuscinetti a rotolamento). L efficacia della manutenzione predittiva dipende anche dalla quantità di dati raccolti, dalla frequenza delle misure e dai dati costruttivi dei macchinari che si hanno a disposizione. La spesa per il monitoraggio dipende dal valore del processo in cui la macchina lavora: la sua stima varia tra l 1% e il 10% del valore capitale dell impianto da monitorare. 34 Manutenzione pro-attiva La manutenzione pro-attiva, detta anche manutenzione migliorativa, è una politica di manutenzione che prevede interventi di revisione finalizzati a migliorare il valore o la prestazione di un sistema o di una parte di esso. Questa azione manutentiva non è subordinata a malfunzionamenti, ma deriva da esigenze di miglioramento espresse sia dall utilizzatore sia dal manutentore, concorrendo ad aumentare il valore del sistema e a migliorarne le prestazioni. In questo punto risiede la differenza rispetto agli altri tipi di manutenzione, che hanno come obiettivo il ripristino delle condizioni di operatività precedenti il malfunzionamento. 35 Cosa e quando monitorare La domanda COSA monitorare? ha due implicazioni: quali macchine e quali parametri. Riguardo quali macchine, una volta l idea era che difficilmente macchine elettriche di potenza inferiore a 20 kw beneficiassero del monitoraggio. Tuttavia, vi sono eccezioni date da piccole macchine che hanno una funzione vitale nelle prestazioni di un sistema più ampio. Le macchine che lavorano a supporto di centrali elettriche (motori che azionano pompe di acqua alimento e di acqua di raffreddamento, e ventilatori per raffreddamento ad aria forzata) traggono benefici dal monitoraggio, sebbene non necessariamente da un monitoraggio continuo, se esiste un elevato margine di componenti di riserva. Bisogna inoltre tener conto che un monitoraggio ben riuscito può permettere una grande riduzione dei componenti di riserva a magazzino. 36

10 Cosa e quando monitorare Macchine come i turboalternatori necessitano invece un monitoraggio continuo, perché una loro fermata non programmata provocherebbe un ingente danno economico per la perdita di produzione di energia. Pertanto, ci sono macchine a cui il monitoraggio è sempre applicabile, mentre per altre macchine occorre fare una valutazione accurata prima di decidere. Bisogna infatti tener conto della complessità del sistema di monitoraggio e del costo per il suo mantenimento: una scarsa progettazione del sistema di monitoraggio o un suo scarso mantenimento possono dare origine a un gran numero di falsi allarmi, che alla fine renderebbero inutili (o addirittura dannose) le informazioni rilevate dal sistema stesso. 37 Cosa e quando monitorare Riguardo quali parametri, vedremo che ci sono alcune grandezze che sono da decenni tradizionalmente monitorate (correnti, tensioni, temperature, livelli di vibrazione dei cuscinetti) e altre che sono state introdotte più recentemente, grazie alla disponibilità di nuovi sensori (flusso disperso). La domanda QUANDO monitorare? richiede considerazioni riguardo la convenienza economica e considerazioni di sicurezza che passano sopra alle valutazioni economiche. La valutazione della convenienza economica è piuttosto complessa, ma in generale il monitoraggio è utile quando il risparmio netto annuale aumenta grazie al suo impiego. Bisogna tener conto che i costi del monitoraggio includono: l indagine iniziale, i costi di acquisto e installazione dei sensori, l addestramento del personale, i costi associati all acquisizione dei dati. 38